Nghiên cứu sử dụng polydadmac để hạn chế phản ứng tán keo của sét trong bùn đỏ

Nghiên cứu ứng dụng polydadmac trong việc hạn chế phản ứng tán keo của sét trong bùn đỏ, góp phần cải thiện chất lượng môi trường.

• Tác giả: Trần Thị Chinh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Mạnh Khải
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng polydadmac để hạn chế phản ứng tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu về bùn đỏ
• 1.1.1. Nguồn gốc phát sinh bùn đỏ
• 1.2. Thành phần hóa học và khoáng vật học của bùn đỏ
• 1.3. Đặc tính keo của bùn đỏ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng polydadmac trong xử lý bùn đỏ

Bùn đỏ là một trong những chất thải nguy hại nhất trong ngành công nghiệp sản xuất alumin. Việc xử lý bùn đỏ không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn có thể tận dụng các thành phần có giá trị trong bùn. Nghiên cứu ứng dụng polydadmac trong xử lý bùn đỏ đã mở ra hướng đi mới trong việc cải thiện hiệu quả xử lý và giảm thiểu tác động môi trường.

1.1. Bùn đỏ và nguồn gốc phát sinh

Bùn đỏ được sinh ra từ quy trình Bayer trong sản xuất alumin, với khối lượng lớn hơn sản phẩm alumin từ 1,0 - 1,5 lần. Thành phần chính của bùn đỏ bao gồm oxit sắt, hydroxit sắt và nhiều kim loại nặng độc hại, gây ra nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường.

1.2. Đặc tính và tác động môi trường của bùn đỏ

Bùn đỏ có pH cao, độ nhớt lớn và chứa nhiều chất độc hại. Khi thải ra môi trường, bùn đỏ có thể gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và không khí, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

II. Thách thức trong xử lý bùn đỏ và vai trò của polydadmac

Xử lý bùn đỏ gặp nhiều thách thức do tính chất hóa lý phức tạp của nó. Polydadmac được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng để cải thiện khả năng keo tụ và giảm thiểu ô nhiễm. Việc hiểu rõ cơ chế tác động của polydadmac là rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình xử lý.

2.1. Các phương pháp xử lý bùn đỏ hiện tại

Hiện nay, các phương pháp xử lý bùn đỏ chủ yếu là chôn lấp hoặc xử lý hóa học. Tuy nhiên, những phương pháp này vẫn chưa hiệu quả trong việc giảm thiểu ô nhiễm và tận dụng tài nguyên trong bùn đỏ.

2.2. Tác động của polydadmac đến đặc tính keo của bùn đỏ

Nghiên cứu cho thấy polydadmac có khả năng làm giảm điện tích bề mặt của các hạt sét trong bùn đỏ, từ đó thúc đẩy quá trình keo tụ và giảm thiểu sự phân tán của bùn đỏ trong môi trường.

III. Phương pháp nghiên cứu ứng dụng polydadmac trong xử lý bùn đỏ

Nghiên cứu sử dụng polydadmac trong xử lý bùn đỏ được thực hiện thông qua các thí nghiệm xác định đặc tính của bùn đỏ và khả năng keo tụ của polydadmac. Các phương pháp này giúp đánh giá hiệu quả của polydadmac trong việc cải thiện tính chất của bùn đỏ.

3.1. Thiết kế thí nghiệm và vật liệu nghiên cứu

Thí nghiệm được thiết kế để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng keo tụ của polydadmac. Vật liệu nghiên cứu bao gồm mẫu bùn đỏ và dung dịch polydadmac với các nồng độ khác nhau.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy polydadmac có khả năng cải thiện đáng kể khả năng keo tụ của bùn đỏ, giúp giảm thiểu ô nhiễm và tăng cường hiệu quả xử lý.

IV. Ứng dụng thực tiễn của polydadmac trong xử lý bùn đỏ

Việc ứng dụng polydadmac trong xử lý bùn đỏ không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng polydadmac có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước thải đến cải thiện chất lượng đất.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu cho thấy polydadmac có thể giảm thiểu đáng kể lượng bùn đỏ thải ra môi trường, đồng thời cải thiện chất lượng nước thải sau xử lý.

4.2. Tiềm năng phát triển và mở rộng ứng dụng

Với những kết quả khả quan, polydadmac có tiềm năng lớn trong việc phát triển các công nghệ xử lý bùn đỏ hiệu quả hơn, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu polydadmac trong xử lý bùn đỏ

Nghiên cứu ứng dụng polydadmac trong xử lý bùn đỏ đã mở ra hướng đi mới trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp hiệu quả hơn cho việc xử lý bùn đỏ và bảo vệ môi trường.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy polydadmac có khả năng cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý bùn đỏ, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sử dụng polydadmac và mở rộng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau, nhằm bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu tiềm năng bauxit quy mô hàng đầu thế giới với tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo đạt khoảng 5,50 tỷ tấn quặng nguyên khai (tương đương 2,40 tỷ tấn quặng tinh), tập trung chủ yếu tại vùng Tây Nguyên. Hiện nay, hai tổ hợp sản xuất alumin lớn tại Tân Rai (Lâm Đồng) và Nhân Cơ (Đắk Nông) đang vận hành với công suất bình quân 650.000 tấn alumin mỗi năm cho từng nhà máy. Quá trình tách xuất nhôm theo công nghệ Bayer phát sinh một lượng chất thải rắn khổng lồ, với tỷ lệ trung bình cứ 1,0 tấn alumin thành phẩm sẽ thải ra từ 1,20 đến 1,30 tấn bùn đỏ, tương đương khoảng 1,20 triệu tấn bùn đỏ phát sinh hằng năm tại mỗi khu liên hợp.

Vấn đề cốt lõi của bùn đỏ nằm ở độ kiềm cực cao với giá trị pH dao động từ 12,0 đến 13,5 do lượng xút dư thừa, kết hợp với thành phần hạt siêu mịn (hạt dưới 10 µm chiếm tới 80%, trong đó cấp hạt sét mịn dưới 2 µm chiếm khoảng 17,2% đến 30%). Đặc tính này khiến bùn đỏ duy trì trạng thái phân tán (tán keo) bền vững, dung dịch có độ nhớt lớn và tốc độ lắng tự nhiên vô cùng chậm. Trong điều kiện khí hậu Tây Nguyên với lượng mưa hằng năm lên tới 2400 mm, các hồ chứa bùn đỏ rộng hàng trăm hecta luôn đối mặt với nguy cơ sạt lở đập, thẩm thấu kiềm gây ô nhiễm mạch nước ngầm và rửa trôi bùn kiềm tương tự thảm họa vỡ đập tại Hungary năm 2010 làm tràn gần 1,0 triệu m3 bùn đỏ.

Đề tài tập trung nghiên cứu bản chất điện động lực học bề mặt của cấp hạt sét trong bùn đỏ thu thập tại hồ chứa Tân Rai (Lâm Đồng) trong khung thời gian từ tháng 1/2018 đến tháng 9/2019. Mục tiêu trọng tâm là đánh giá tác động của polycation hữu cơ polyDADMAC trong việc biến đổi điện tích bề mặt, ức chế phản ứng tán keo và thúc đẩy quá trình tụ keo ở môi trường kiềm cao. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp giải pháp cố định chất thải an toàn, hỗ trợ giảm thiểu hơn 80% độ đục của dịch huyền phù và tiết kiệm chi phí xử lý so với các biện pháp trung hòa axit truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thuyết lớp điện tích kép (Electrical Double Layer - EDL) và mô hình tương tác keo DLVO (Derjaguin - Landau - Verwey - Overbeek). Trạng thái phân tán hay keo tụ của các hạt khoáng trong dung dịch nước chịu sự chi phối bởi sự cân bằng giữa lực đẩy tĩnh điện của các lớp điện tích cùng dấu bao quanh hạt và lực hút phân tử Van der Waals. Các hạt sét trong bùn đỏ tích điện âm do hai nguồn chính: điện tích âm vĩnh cửu sinh ra từ quá trình thay thế đồng hình trong ô mạng tinh thể (như Al3+ thay thế Si4+) và điện tích biến thiên sinh ra từ phản ứng phân ly hoặc kết hợp proton tại các nhóm chức bề mặt rìa như ≡SiOH, >AlOH và -FeOH tùy thuộc vào độ pH của môi trường.

Khung lý thuyết vận dụng 4 khái niệm then chốt: thế điện động zeta (ζ), điểm đẳng điện (isoelectric point - iep), cấu trúc "nhà thẻ" (card-house structure), và cơ chế bắc cầu polymer kết hợp trung hòa điện tích. PolyDADMAC (poly diallyldimethylammonium chloride) là một polycation hữu cơ tổng hợp mạch dài chứa các vòng pyrrolidine mang điện tích dương vĩnh cửu của nhóm amoni bậc bốn, hoạt động độc lập với sự thay đổi pH. Khi đưa vào huyền phù bùn đỏ kiềm, polyDADMAC đóng vai trò trung hòa điện tích âm bề mặt khoáng sét, làm nén lớp điện kép, thu hẹp rào cản năng lượng đẩy tĩnh điện và tạo điều kiện cho lực Van der Waals liên kết các hạt sét riêng lẻ thành các đoàn lạp kích thước lớn, làm suy giảm chuyển động Brownian và dẫn đến sự keo tụ nhanh chóng.

Phương pháp nghiên cứu

Mẫu bùn đỏ đại diện được lấy trực tiếp tại hồ chứa mỏ bauxit Tân Rai, Lâm Đồng (khu vực có diện tích trên 200 ha ở độ cao hơn 1000 m so với mực nước biển). Mẫu được phơi khô tự nhiên ở điều kiện phòng thí nghiệm, đồng nhất qua rây tiêu chuẩn 2,0 mm. Cấp hạt sét mịn (kích thước dưới 2,0 µm) được phân tách chính xác theo định luật lắng Stokes bằng ống hút Robinson. Nhằm đánh giá vai trò của màng oxit sắt bao bọc hạt sét, một phân đoạn mẫu sét được tiến hành tiền xử lý tẩy sắt 3 lần bằng hỗn hợp dithionite - citrate - bicarbonate (DCB). Tất cả các thí nghiệm được thực hiện lặp lại 3 lần (cỡ mẫu n = 3) cho mỗi điều kiện pH và nồng độ hóa chất để bảo đảm độ tin cậy thống kê với sai số chuẩn dưới 5%.

Các kỹ thuật phân tích hiện đại được lựa chọn có chủ đích bao gồm:

• Phương pháp phát xạ huỳnh quang tia X (PIXE) trên máy gia tốc Tandem 5SDH-2 Pelletron và quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-OES PE 7300V) để định lượng chính xác hàm lượng tổng số và phần hòa tan của Fe, Al, Si, Na.
• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Bruker-AXS D5005 (với các quy trình bão hòa K+, Mg2+, etylen glycol và nung ở 550°C) kết hợp kính hiển vi điện tử quét (SEM FEI Quanta 600 FEG) để làm sáng tỏ thành phần khoáng vật học và hình thái học bề mặt.
• Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR Nicolet iS5) và phân tích diện tích bề mặt riêng đơn điểm BET N2 (Gemini VII 2390p) nhằm xác định các nhóm chức hoạt tính và mật độ tiếp xúc pha rắn.
• Đo thế zeta (ζ) dựa trên dòng thế chuyển động bằng thiết bị chuẩn độ tự động Mütek PCD-05 và xác định độ truyền qua (T%) của huyền phù tại bước sóng 600 nm trên máy quang phổ L-VIS-400 dưới các dải nồng độ polyDADMAC (0; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 mM) trên toàn bộ dải pH từ 3,0 đến 12,0.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thành phần cơ giới của bùn đỏ Tân Rai gồm 35,3% cát, 47,5% limon và 17,2% hạt sét. Phân tích PIXE và ICP-OES cho thấy hàm lượng tổng số của Fe đạt 21,6%, Al đạt 8,3%, Si đạt 14,8% và Na đạt 2,3%. Đáng chú ý, lượng natri dễ hòa tan trong nước lên tới 57,2 mg/g và hòa tan trong oxalat là 71,0 mg/g, khẳng định sự tồn tại của lượng xút dư tự do cực lớn tạo nên giá trị pH nền bằng 12,0. Cấp hạt sét có diện tích bề mặt riêng BET đo được là 11,3056 m2/g với cấu trúc mạng lưới dạng que đan xen giữa khoáng silicat và oxit sắt khi quan sát dưới ảnh SEM.

Phân tích XRD xác định thành phần khoáng vật sét gồm kaolinite (với các đỉnh phản xạ đặc trưng tại 0,717 nm, 0,427 nm và 0,357 nm), nacrite, goethite và hematite (cực đại nhiễu xạ bền vững tại 2,702 nm ở 550°C). Khi không có chất trợ keo, hạt sét bùn đỏ có điểm đẳng điện (iep) ở pH 5,4; thế zeta biến thiên âm mạnh khi pH tăng và rơi vào trạng thái phân tán hoàn toàn ở dải pH lớn hơn 7,0 với độ truyền qua T% duy trì dưới 10% (độ đục rất cao).

Khi bổ sung polyDADMAC, điểm đẳng điện của hệ huyền phù dịch chuyển mạnh mẽ về vùng kiềm cao: đạt pH 5,6 ở 0,25 mM; pH 6,0 ở 0,5 mM; pH 6,4 ở 1,0 mM và vươn tới pH 9,1 ở 2,0 mM. Tại nồng độ tối ưu 0,25 mM và 0,5 mM polyDADMAC, dải keo tụ của bùn đỏ được mở rộng ngoạn mục từ khoảng hẹp ban đầu (pH 5,5 - 7,0) sang toàn bộ thang đo pH từ 5,5 đến 12,0, nâng độ truyền qua T% từ dưới 10% lên vượt mức 85%. Đối với mẫu sét đã tách bỏ oxit sắt bằng DCB, polyDADMAC cũng làm dịch chuyển điểm đẳng điện từ pH 5,68 lên 8,30 và duy trì giá trị T% ổn định trên 50% trong suốt dải pH khảo sát.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phân tán tự nhiên của bùn đỏ tại pH kiềm 12,0 bắt nguồn từ hiện tượng phân ly mạnh proton của các nhóm hydroxy bề mặt (≡Si-O-, >Al-O-, -Fe-O-), làm mật độ điện tích âm tăng cao, gia tăng chiều dày lớp khuếch tán và tạo lực đẩy tĩnh điện cực đại giữa các hạt keo. Dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa thế zeta và độ truyền qua T% có thể được trực quan hóa rõ nét thông qua biểu đồ phân tán hai trục tọa độ: trục tung bên trái biểu thị thế zeta (mV) chuyển dần từ giá trị âm sâu (-40 mV) về vùng trung hòa (0 mV), trong khi trục tung bên phải biểu thị độ truyền qua T% tăng vọt tương ứng từ 5% lên trên 85% tạo thành đường cong đối xứng hình chữ S tại vùng keo tụ tối ưu.

Việc bổ sung polyDADMAC đưa các chuỗi polycation tích điện dương mạnh tương tác tĩnh điện trực tiếp với các vị trí tích điện âm trên bề mặt sét và oxit sắt mà không làm biến đổi cấu trúc mạng tinh thể bên trong (được minh chứng bởi việc phổ FTIR không xuất hiện dịch chuyển liên kết Si-O-Si tại 1003 cm-1). Tuy nhiên, khi tăng nồng độ polyDADMAC lên mức 1,0 và 2,0 mM, hiện tượng đảo chiều điện tích xuất hiện do sự hấp phụ dư thừa polycation làm bề mặt hạt tích điện dương trở lại, khiến vùng keo tụ bị thu hẹp lại trong khoảng pH 6,0 - 11,5 (đối với 1,0 mM) và pH 8,0 - 10,3 (đối với 2,0 mM). So sánh với các nghiên cứu keo tụ vô cơ quốc tế, polyDADMAC chứng minh tính ưu việt vượt trội khi chỉ cần liều lượng bằng 2% đến 10% so với muối kim loại truyền thống mà vẫn kiểm soát hoàn hảo trạng thái tán keo ngay tại pH 12,0 mà không cần hạ pH bằng hóa chất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường khả thi được đề xuất triển khai:

1. Thiết lập quy trình châm hóa chất polyDADMAC định lượng tại hồ chứa: Ban điều hành các nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ thực hiện châm bổ sung polyDADMAC ở nồng độ tối ưu 0,5 mM trực tiếp vào dòng thải bùn đỏ trước khi xả ra các block hồ lắng; mục tiêu đạt tỷ lệ lắng bùn trên 90% và giảm độ đục của nước mặt hồ chứa về mức truyền qua T% trên 85%; triển khai thử nghiệm diện hẹp trong vòng 6 tháng đầu năm 2020.
2. Tích hợp trạm giám sát tự động thế zeta và pH trực tuyến: Doanh nghiệp khai khoáng lắp đặt hệ thống đo điện động học tự động kết nối cảm biến PCD tại các cửa xả của hồ chứa có diện tích 10 đến 15 ha; duy trì giá trị thế zeta của dịch huyền phù dao động an toàn trong khoảng -10 mV đến +10 mV để kiểm soát rủi ro phân tán hạt mịn; hoàn thành lắp đặt và vận hành trong giai đoạn 2020 - 2022.
3. Chuyển đổi công nghệ thải ướt sang thải khô kết hợp phụ gia trợ keo: Viện nghiên cứu chuyên ngành phối hợp với Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) ứng dụng polyDADMAC liều lượng 0,25 - 0,5 mM làm chất trợ lắng trong máy lọc ép áp lực, nhằm nâng nhanh nồng độ chất rắn của bánh bùn lên trên 65%, rút ngắn thời gian làm khô bề mặt bãi thải từ vài tháng xuống dưới 15 ngày; thực hiện lộ trình chuyển đổi từ năm 2021 đến 2025.
4. Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật phòng ngừa sự cố tràn vỡ đập bùn đỏ: Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Bộ Công Thương ban hành hướng dẫn an toàn kỹ thuật bắt buộc, yêu cầu các cơ sở chế biến bauxit tại vùng có lượng mưa vượt 2400 mm/năm phải dự trữ cơ số hóa chất polycation hữu cơ sẵn sàng xử lý keo tụ khẩn cấp khối bùn khi xảy ra nguy cơ tràn bờ; hoàn thành thẩm định và ban hành văn bản trong thời hạn 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu khoa học của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

1. Kỹ sư công nghệ và cán bộ quản lý môi trường tại các tổ hợp khai thác bauxit - alumin (Tân Rai, Nhân Cơ): Nắm vững cơ sở khoa học để tối ưu hóa liều lượng polycation 0,5 mM, kiểm soát độ nhớt kiềm, tăng tốc độ phân tầng chất rắn - lỏng và nâng cao hệ số an toàn cho hệ thống hồ chứa quặng đuôi.
2. Nhà khoa học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Hóa học đất, Khoa học Môi trường và Địa kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp đo thế zeta bằng thiết bị Mütek PCD-05, phân tích tinh thể khoáng sét 1:1 qua nhiễu xạ tia X đa xử lý và cơ chế hấp phụ của các phân tử polymer mạch dài lên bề mặt khoáng silicat.
3. Chuyên viên hoạch định chính sách tại Bộ Tài nguyên và Môi trường, Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh Tây Nguyên: Khai thác số liệu về đặc tính hóa - lý của bùn đỏ để xây dựng báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM), hoàn thiện quy chuẩn xả thải và thiết kế phương án ứng phó sự cố hóa chất quốc gia.
4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng không nung và xử lý nước thải công nghiệp: Ứng dụng giải pháp triệt tiêu độ tán keo của bùn đỏ để tạo nguyên liệu đồng nhất, ổn định cấu trúc hạt sét phục vụ phối trộn sản xuất gạch block, phụ gia xi măng hoặc chế tạo vật liệu hấp phụ kim loại nặng.

Câu hỏi thường gặp

1. PolyDADMAC tác động như thế nào để ngăn chặn sự tán keo của bùn đỏ ở môi trường kiềm? PolyDADMAC cung cấp các nhóm cation amoni bậc bốn tích điện dương mạnh, hấp phụ tĩnh điện lên các vị trí mang điện tích âm (≡Si-O-, >Al-O-, -Fe-O-) của hạt sét. Phản ứng này trung hòa điện tích bề mặt, nén lớp điện tích kép và thúc đẩy lực hút Van der Waals, đưa huyền phù từ trạng thái phân tán sang keo tụ hoàn toàn tại pH 12,0 với độ truyền qua quang học đạt trên 85%.

2. Tại sao cấp hạt sét trong bùn đỏ Tân Rai lại phân tán mạnh trong điều kiện tự nhiên? Bùn đỏ Tân Rai chứa 17,2% cấp hạt sét siêu mịn (< 2 µm) cùng lượng xút tự do lớn khiến pH đạt mức 12,0 và hàm lượng Na hòa tan lên đến 57,2 mg/g. Ở mức kiềm cao này, các nhóm hydroxy bề mặt bị khử proton cực đại tạo nên mật độ điện tích âm dày đặc, sinh ra lực đẩy tĩnh điện vượt trội thắng lực hút Van der Waals và duy trì trạng thái tán keo bền vững.

3. Liều lượng polyDADMAC tối ưu được xác định trong nghiên cứu là bao nhiêu? Nồng độ polyDADMAC tối ưu được xác định là 0,5 mM (tương đương 0,25 - 0,5 mM trong hệ phản ứng). Ở nồng độ này, điểm đẳng điện dịch chuyển lên pH 6,0 và vùng keo tụ bao phủ toàn bộ dải pH từ 5,5 đến 12,0. Việc tăng nồng độ lên 1,0 - 2,0 mM sẽ gây dư thừa điện tích dương, làm đảo chiều điện tích hạt và thu hẹp khoảng pH keo tụ hiệu quả.

4. Vai trò của màng oxit sắt đối với phản ứng keo tụ của bùn đỏ là gì? Hàm lượng sắt tổng số trong bùn đỏ chiếm tới 21,6% dưới dạng khoáng goethite và hematite bao bọc hạt sét. Màng oxit sắt này tạo thêm các vị trí tích điện và đóng vai trò cầu nối liên kết các tấm sét. Khi loại bỏ sắt bằng DCB, cấp hạt sét trở nên âm điện hơn, nhưng sự có mặt của polyDADMAC vẫn duy trì độ truyền qua T% trên 50% trên toàn dải pH.

5. Sử dụng polyDADMAC có lợi thế gì vượt trội so với trung hòa bùn đỏ bằng axit vô cơ? Sử dụng axit vô cơ đòi hỏi lượng hóa chất khổng lồ để trung hòa pH 12,0, làm tăng độ dẫn điện, phát sinh muối hòa tan thứ cấp và chi phí kinh tế rất cao. Ngược lại, polyDADMAC chỉ cần nồng độ vi lượng (tiết kiệm 90% lượng dùng so với chất keo tụ vô cơ), hoạt động trực tiếp ở pH 12,0 mà không làm thay đổi pH nguồn nước và không gây ô nhiễm thứ cấp.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh bản chất hiện tượng tán keo mạnh của bùn đỏ Tân Rai bắt nguồn từ tính kiềm cao (pH = 12,0), hàm lượng Na hòa tan lớn (57,2 mg/g) và tỷ lệ cấp hạt sét mịn chiếm 17,2%.
• Thành phần khoáng vật học của cấp hạt sét được xác định rõ ràng gồm kaolinite, nacrite, goethite và hematite với diện tích bề mặt riêng BET đạt 11,3056 m2/g.
• Bổ sung polyDADMAC tại nồng độ tối ưu 0,5 mM làm dịch chuyển điểm đẳng điện từ pH 5,4 lên pH 6,0 - 9,1, mở rộng dải keo tụ bao phủ toàn diện từ pH 5,5 đến 12,0 và nâng độ truyền qua quang học đạt trên 85%.
• Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở lý thuyết điện động học quan trọng cho việc kiểm soát tính linh động của bùn đỏ, loại bỏ nguy cơ phân tán ô nhiễm khi xảy ra sự cố thiên tai tại Tây Nguyên.
• Khuyến nghị các đơn vị vận hành công nghiệp sớm triển khai thử nghiệm mô hình pilot châm polyDADMAC dung tích 50 đến 100 m3 tại bãi thải Tân Rai trong giai đoạn 2020 - 2021 nhằm hiện thực hóa giải pháp bảo vệ môi trường bền vững. Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng ngay quy trình công nghệ này để tối ưu hóa an toàn hồ chứa bauxit.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về bùn đỏ 1. Nguồn gốc phát sinh bùn đỏ Bùn đỏ là chất thải nguy hại sinh ra trong quy trình công nghệ Bayer sản xuất alumin (Al 2O3) từ quặng bauxit, hàm lượng kiềm dư cao, chứa chủ yếu các oxit sắt và hydroxit sắt và nhiều kim loại nặng độc hại.

Khối lượng bùn đỏ phát sinh tại các nhà máy alumin tùy thuộc vào chất lượng quặng bauxit nguyên, có thể lớn hơn khối lượng sản phẩm alumin từ 1,0 - 1,5 lần. Các nhà máy sản xuất alumin thường thải bùn đỏ dưới dạng lỏng vào các hồ chứa tạo ra nguy cơ ô nhiễm môi trường lớn đối với các vùng đất thấp. Đặc trưng của bùn đỏ là có kích thước nhỏ hơn 1 mm. Do đó, bùn thải khi khô dễ phát tán bụi vào không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc thường xuyên với bụi này gây ra các bệnh về da và mắt, nước thải từ bùn tiếp xúc với da gây tác hại như ăn da, gây mất độ nhờn làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt nẻ, đau rát, có thể sưng tấy, loét mủ ở vết rách xước trên da,… Đặc biệt, khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm là rất cao khi lưu giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài.

Lượng bùn này phát tán mùi hôi, hơi hóa chất làm ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu. Bùn đỏ bao gồm các chất không thể hòa tan, trơ và khá bền vững trong điều kiện phong hóa và đặc biệt có chứa hàm lượng xút dư thừa cao có pH từ 12 - 13,5, một hóa chất độc hại đối với sức khỏe con người và môi trường sinh thái. Bùn đỏ có tỷ trọng 2,6 - 3,5 tấn/m 3, tỷ lệ lắng Cm/Ks khoảng 0,014 - 35,9; khoảng 80% bùn đỏ có hạt mịn < 10 µm, do vậy tốc độ lắng của các phần tử mịn diễn ra rất chậm. Sự phân bố cấp hạt đặc trưng của bùn đỏ (hạt mịn và hạt thô – cát) được thể hiện trên Hình 1.

3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hình 1: Phân bố cấp hạt mịn và thô đặc trưng của bùn đỏ Theo kết quả thăm dò địa chất, Việt Nam có trữ lượng khoáng sản bauxit lớn phân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượng khoảng 5,50 tỷ tấn quặng nguyên khai; tương đương với 2,40 tỷ tấn quặng tinh; tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên. Do đó ngành công nghiệp sản xuất nhôm từ quặng bauxit đang được định hướng phát triển mạnh mẽ, đi kèm với nó là một lượng lớn bùn đỏ được thải ra. Quy hoạch phát triển bauxit ở Tây Nguyên với công suất 650.000 tấn alumin/năm như nhà máy Tân Rai, lượng bùn đỏ thải ra khoảng 1,20 triệu tấn/năm. Vì vậy, nếu thải trực tiếp ra môi trường sẽ gây ra các hậu quả sau đây: Phải sử dụng diện tích đất lớn để lưu trữ; Làm mất khả năng sử dụng đất trong thời gian dài; Khối lượng bùn thải lớn, trong mùa mưa có nguy cơ gây ra rửa trôi, lũ bùn làm ô nhiễm môi trường nước mặt trên diện rộng; Lượng xút dư thừa trong bùn đỏ thấm vào đất gây ô nhiễm và làm mất khả năng canh tác của đất, đồng thời ngấm xuống đất gây ô nhiễm nguồn nước ngầm; Kích thước hạt bùn đỏ rất nhỏ có khả năng phát tán vào không khí do gió, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và môi trường sinh thái.

4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thành phần hóa học và khoáng vật học của bùn đỏ Bùn đỏ thải ra từ công nghệ Bayer có thành phần khá phức tạp và biến động tùy theo vật liệu bauxit đưa vào quy trình. Thành phần chính của bùn đỏ gồm có Fe2O3 (26 - 32%), CaO (3 - 22%), Al 2O3 (10 - 19%), SiO 2 (8,5 - 32%), TiO2 (3 - 7%) và một lượng nhỏ các nguyên tố độc hại khác ví dụ như Cr, As, Hg, Pb, Cd… (Wang và Liu, 2012; Tóth và nnk, 2014; Luu và nnk, 2014). Ngoài ra, bùn đỏ cũng có thể chứa một số các nguyên tố phóng xạ như 40K, 226Ra và 232Th (Wang và Liu, 2012; Tóth và nnk, 2014) có nguồn gốc phong hóa và được làm giàu lên do quy trình xử lý bauxit.

Tuy nhiên, bùn đỏ ở Việt Nam chưa phát hiện nguy cơ tích lũy các chất phóng xạ trong bùn đỏ (Luu và nnk, 2014). Hình 2: Thành phần hóa học của bùn đỏ (Klauber và nnk, 2009) Trong bùn đỏ, thành phần oxit sắt chiếm hơn 41% nên làm cho bùn có màu đỏ và có lượng sút dư thừa (NaOH). Bùn đỏ trước khi thải ra ngoài được rửa ngược dòng 4 - 6 bước nhằm thu tối đa kiềm và alumin bám theo bùn đỏ (giá kiềm đắt và là một trong những tiêu hao chính để sản xuất alumin) và hạn chế tác động đến môi trường. Theo công nghệ Bayer, bùn đỏ được thải ra theo hai phương thức là thải khô và thải ướt.

Trong trường hợp thải ướt, huyền phù được bơm thẳng ra bãi thải với hàm lượng chất rắn 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thấp hơn, đỡ tốn kém, thích hợp với các vùng có thung lũng dễ tạo thành hồ chứa, thường áp dụng cho những vùng có lượng mưa lớn hơn so với lượng bốc hơi. Ví dụ ở Tây Nguyên có lượng mưa gấp 4 lần lượng bốc hơi, lượng mưa 2400 mm và lượng bốc hơi 650 mm. Đối với bùn thải khô, bùn được bơm ra từ thiết bị rửa qua máy lọc để nâng nồng độ chất rắn lên 65% và vận chuyển tới bãi thải. Phương pháp này tiết kiệm diện tích nhưng tốn kém và phức tạp, thích hợp với những vùng có lượng bốc hơi lớn hơn so với lượng mưa.

Xét theo thành phần hoá học của bùn đỏ thì trong chất rắn của bùn đỏ không có chất gây hại đặc biệt đến môi trường, không có chất phóng xạ, chất rắn của huyền phù bùn đỏ không thuộc vào loại rác thải nguy hiểm. Chất gây ô nhiễm trong huyền phù bùn đỏ chủ yếu là chất lỏng kèm theo bùn đỏ. Dung dịch kiềm kèm theo có tính ăn mòn mạnh, và giá trị pH cao hơn 12,5. Bởi vì chất rắn và chất lỏng trong huyền phù bùn đỏ không thể tách rời hoàn toàn, vì vậy phải xử lý “huyền phù bùn đỏ” theo tiêu chuẩn xử lý chất thải nguy hiểm.

Thành phần khoáng của bùn đỏ phụ thuộc vào thành phần hóa học của quặng bauxit nguyên khai và công nghệ chế biến cụ thể của từng nhà máy. Phân tích nhiễu xạ cho thấy thành phần khoáng vật của bùn đỏ cũng khá đa dạng. Các khoáng vật như hematite (Fe 2O3), gibbsite (Al(OH)3), quartz (SiO2), perovskite (CaTiO 3), cancite (CaCO3) và natri aluminat (Na5AlO4) là những thành phần khoáng chính của bùn đỏ (Wang và Liu, 2012). Các khoáng vật kể trên tồn tại độc lập hoặc liên kết với nhau và có kích thước cấp hạt từ 0,8 đến 50 m.

Cấp hạt mịn có kích thước sét (< 2 m) có thể chiếm ~30% làm tăng khả năng phân tán của bùn đỏ. Mặt khác, sự biến động kích thước cũng là nguyên nhân làm cho việc tận dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng trở nên khó khăn hơn. Phân tích nhiệt sai cho thấy sự hụt khối khi nung nóng bùn đỏ (lên đến 1000 oC) chỉ nhỏ hơn 20%, và lượng hụt khối này liên quan đến sự bay hơi các phân tử nước liên kết và phân hủy CaCO3. Bùn đỏ có phản ứng kiềm với pH có thể biến động từ 9 - 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 13, dung tích trao đổi cation khá cao so với các khoáng vật trong tự nhiên, CEC dao động từ 43 đến 75 cmolc kg-1 (Tóth và nnk, 2014) 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Bảng 1: Thành phần khoáng vật của bùn đỏ (Mostafa và nnk, 2019) Tên khoáng Phần trăm khối lượng (%) Sodalite (Na8Al6Si6O24Cl2) 4-40 Goethite (FeOOH) 10-30 Hematite (Fe2O3) 10-30 Magnetite (Fe3O4) 0-8 Boehmite (Al(OH)O2) 0-20 Calcite (CaCO3) 2-20 Kaolinite (Al2Si2O5(HO)4) 0-5 Gibbsite (Al(OH)3) 0-5 Diaspore (AlOOH) 0-5 Perovskite (CaTiO3) 0-12 Cancrinite (Na6Ca2[(CO3)2Al6Si6O24].2H2O) 0-50 Calcium aluminate (3CaO.6H2O) 2-20 Anatase và rutile (TiO2) 2-15 Muscovite (2KF.H2O) 0-15 Quặng bauxit có hàm lượng nhôm, sắt là thành phần lớn nhất của bùn đỏ.

Ngoài ra, hàm lượng Ti và Si của bùn đỏ cũng tăng gấp đôi so với bauxit, khoáng kaolinite biến đổi thành sodalite và cancrinite, khoáng ferihydrite và goethite cũng có thể chuyển hoàn toàn hay một phần thành hematite. Bên cạnh đó, trong bùn đỏ còn xuất hiện thêm hai thành phần hóa học đáng kể là Ca và Na. Hai nguyên tố này có thể bị tách loại một phần bằng quá trình rửa ngược để thu hồi xút và giảm độ kiềm của bùn đỏ. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Đặc tính keo của bùn đỏ Lưới điện tích âm của hạt sét hình thành lớp điện tích kép xung quanh. Lớp điện kép này có vai trò quyết định đến sự phân tán hay keo tụ của cấp hạt sét. Trong môi trường nước, các hạt sét tiếp cận với các hạt khác trong dung dịch nhờ chuyển động Brownian, lớp khuếch tán của chúng sẽ bị chồng xếp lên nhau và làm tăng năng lượng Gibbs của hệ. Điều này tạo ra lực đẩy giữa các hạt sét và thúc đẩy sự phân tán của các hạt sét.

Sự phân tán của các hạt sét sẽ bị tác động một khi lớp điện kép thay đổi. Sự thay đổi lớp điện kép có thể do pH, các anion hoặc cation hòa tan. Bùn đỏ là một hỗn hợp các hạt rắn dị thể có kích thước nhỏ. Điện tích bề mặt hạt có ảnh hưởng rất lớn tới các tính chất bên trong hạt cũng như giữa các hạt với nhau khi có mặt của nước và các muối hòa tan.

Các ảnh hưởng này không chỉ liên quan đến các tính chất vật lý vĩ mô như độ lưu biến, co cụm hay keo tụ mà còn liên quan đến các tính chất hóa học đặc trưng của hạt như hydrat hóa bề mặt, trao đổi ion, oxi hóa khử. Sự thay đổi điện tích các hạt khoáng theo pH của dung dịch sẽ điều khiển quá trình trao đổi ion, hấp phụ/giải hấp các ion trên bề mặt tiếp xúc khoáng – nước. Đặc tính của điện tích bề mặt phụ thuộc vào bản chất của các hạt khoáng. Điện tích bề mặt hạt khoáng được sinh ra do sự mất cân bằng điện tích cục bộ (bề mặt có quá ít hoặc quá nhiều H +); hoặc do mất cân bằng điện tích cấu trúc (sự thay thế các kim loại trong ô mạng tinh thể bằng các kim loại khác như Al3+ thay thế Si4+ trong khoáng sodalit).